钻井绞车滚筒体整体绳槽设计.pdf

2 0 1 2年第4 0卷第6期 石 油机械 CHI NA PE TR0LE UM MACHI NERY ●钻井技术与装备 钻 井绞 车滚 筒体 整体 绳槽设计 郝桂英 郭春秋 齐 然 孟 萌 李孟辉 1 ．南阳二机石油装备 集团有限公司2 ．华中科技大学机械学院 摘要 针对钻井绞车滚筒体绳槽板加工完绳槽后焊接 时存在结构复杂 ，工 艺性不好 ，滚筒体 整体强度低以及排绳不整齐等 问题 ，对 3 2 m m钢丝绳所使 用的绞车滚筒体 进行 了分析，并进行 了整体绳槽设计。设计过程包括钢丝绳爬坡时行程 的设计计算和反转楔 的焊接及加 工尺 寸设计。 通过计算与分析 ，最终得到实 际加 工操作 的完整经验公 式。整体绳槽设 计及加 工技 术在 J C 2 8 、 J C 3 0、J C 5 0和 J C 7 0等绞车的实际应用 中，效果 良好 ，解决 了钻井绞车使用 中的各种问题。 关键词 绞车；滚筒体 ；绳槽板 ；绳槽 ；爬坡；反转楔 中图分类号T E 9 2 3 ． 0 2文献标识码 A文章编号1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 60 0 3 3 0 5 De s i g n o f t h e W ho l e Ro pe S l o t f o r t h e Dr um Bo dy o f Dr i l l i n g W i nc h H a o G u i y i n g G u o C h u n q i u Q i R a n M e n g M e n g L i Me n g h u i 1 ．R G P e t r o ma c h i n e r y G r o u p C o ． ， D d ． 2 ．C o l l e g e o fMe c h a n i c s ，H U S T Ab s t r a c t Th e r e e x i s t p r o b l e ms wi t h t he r o p e s l o t p l a t e o f t h e d r a wwo r ks i n we l d i n g a f t e r ma c h i n i ng r o p e s l o t s u c h a s c o mp l e x s t r uc t u r e，un d e s i r a b l e t e c h n i q u e，l o we r e d wh o l e s t r e n g t h o f dr u m b o d y a n d u nt i d y r o p e a l i g n i n g ． C o n s i d e r i n g t h e p r o b l e ms ，t h e d r u m b o d y u s e d b y t h e 3 2 mm s t e e l w i r e r o p e wa s a n a l y z e d a n d t h e w h o l e r o p e s l o t wa s d e s i g n e d ． T he d e s i g n p r o c e s s i n c l u d e s t h e d e s i g n c a l c u l a t i o n o f s t e e l r o p e c l i mb i ng a n d d e s i g n o f i nv e r s i o n we d g e we l d i n g a n d ma c h i n i n g d i me n s i o n s ．T h e wh o l e e mp i r i c a l f o r mu l a f o r t h e p r a c t i c a l ma c h i n i n g o p e r a t i o n h a s b e e n o bt a i n e d i n t h e e n d．Th e pr a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e wh o l e r o pe s l o t d e s i g n a n d ma c h i ni n g t e c h n o l o g y i n dr a w w o r k s o f J C 2 8，J C 3 0，J C 5 0 a n d J C 7 0 i s d e s i r a b l e ，s o l v i n g t h e p r o b l e ms i n u s e o f d r i l l i n g d r a w wo r k s ． Ke y wo r ds d r a wwo r k s； d r um b o d y； r o p e s l o t p l a t e； r o pe s l o t ； c l i mbi ng； i n v e r s i o n we d g e 0 引 言 石油钻修机上所使用的钻井绞车滚筒体绳槽有 2种设计结构 焊接结构和整体加工结构 。焊接结 构的绳槽工艺为先加工绳槽板绳槽 ，再将各段绳槽 板拼焊在滚筒体上 ，并焊接上钢筋作为钢丝绳反转 结构 ，使其顺利从一层升至另一层 。整体结构 的绳 槽工艺为在滚筒体上整体加工出绳槽 ，并堆焊出反 转楔 。两者相 比较 ，绳槽整体加工的绞车滚筒体具 有结构简单 、质量轻 、工艺性好 、工序少 、排绳整 齐和强度高等特点 ，但其对加工设备及操作 工的技 术能力要求较高 I 2 。随着企业数控加工设备不断 普及和操作工人技术能力逐步提高 ，整体结构绳槽 将逐步取代焊接结构绳槽 的设计制造。 现对钻井绞车滚筒体整体绳槽进行设计 。其设 计过程包括 钢丝绳爬坡 时行程 的设计计算和反 转楔的焊接及加工尺寸设计 。 1 整体绳槽在爬坡 时行程的尺寸 设 计 1 ． 1 整体绳槽加工工艺 在钻井绞车滚筒体整体绳槽的设计过程 中，首 先需确定其加工工艺 ，并将规范的工艺过程反映到 设计 图纸上 ，以便统一指导生产 。 钢丝绳在绞车滚筒体上缠绕 1圈时，需依次经 过直段 、第 1 次爬坡 、直段 、第 2次爬坡后进入下 ， 3 4．． 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 6期 一 个绳槽 。在 2次爬 坡过程 中，每次一般为 6 0 。 ， 2个直段各为 1 2 0 。 见 图 1 。在绳槽直段 的加工 中，刀具径向吃刀 ，滚筒在机床上旋转运动。在绳 槽爬坡段 的加 T中 ，刀具按一定规律作径向和轴向 吃刀 。刀具的轴 向吃刀形成了绳槽在爬坡时的行程 ．。为方便绳槽设计 ，钢丝绳 的爬坡统称为绳槽爬 坡 ，最边缘 的绳槽 记为 绳槽 1 滚筒 体两 端各 1 个 ，绳槽 1之问的绳槽记为绳槽 2 。 肘 } M ， 次 875 35 二 30。 珏 一 ____ 。 _ 一 一 l2 7 一 C _-_ - _ 。 。_ _ - l 浈 1 } j 点 图 1 绞 车 滚 筒 体 展 开 图 F i g ． 1 U n f o l d e d d r a wi n g o f d r a w w o r k s d r u m b o d y 在加工绳槽 1时，先加工 该槽处于最高位置 时的外径 由2次爬坡结束 时的 确定 和宽度 通常为 1 ． 5倍绳槽距 ，然后根据出绳 口的位置 ， 确定爬坡位置 ，随着刀具径 向和轴向移动，加工出 滚筒体一侧的绳槽 1和相邻 的 1～2个绳槽 2 。之 后根据成活的绳槽 2开始再次对刀 ，加工剩余 的绳 槽 2 。由于刀架所处位置 的影响，剩余绳槽 2一般 要经过 2次加工完成。在这 2次加工 中，刀具分别 处于刀架的两侧 ，且在对更换刀具位置后绳槽 2的 加工中，要预留 1～2个绳槽 ，以便加工滚筒体另 一 侧绳槽 1时使用。刀具更换位置后 ，以相同的方 式加工完成剩余所有绳槽 。在分次加工各 绳槽 时 ， 每一次给定吃刀量后 ，滚筒体每旋转 1 周 ，绳槽就 经过直段 、第 1 次爬坡 、直段 、第 2次爬坡的加工 过程。绳槽 2的加工较 为简单 ，滚筒 体作旋转 运 动 ，刀具径 向吃刀后 ，按 图纸设计 要求 ，依规 律 直段 、第 1次爬坡 、直段 、第 2次爬坡 轴 向运 动 ，完成切削。由于绳槽 1为钢丝绳由第 1层升至 第 2层的过度绳槽 ，因此其加工较复杂 ，滚筒体在 机床上旋转运动 ，同时刀具按设计尺寸要求径向和 轴向同时进刀切削 。 1 ． 2整体绳槽设计 1 ． 2 ． 1 绳槽 2 绳槽 2在加 工时 ，刀具按 照直段 、第 1次爬 坡 、直段 、第 2次爬坡的规律做切削运动 ，因此在 设计时 ，只需确定绳槽距 P、绳槽半径 P ／ 2 、爬坡 次数和角 度 、绳槽直段 角度 、绳槽 尖角倒 圆半径 等 ，即可完成绳槽的加工。 1 ． 2 ． 2 绳槽 1 绳槽 1 加工时，刀具按一定规律做轴 向和径 向 切削运动，且其与相邻绳槽 2相切。因此在对绞车 滚筒体整体绳槽 1进行设计时 ，要同时确定绳槽板 绳槽 的 、 值 见图 2 。其中绳槽 1与相邻绳 槽 2的轴 向距离 为 ，绳槽 1底端 与相邻 绳槽 2 的底端的距离为 。 由绳槽距 、爬坡角度等确 定。 的数值可以根据绳槽 1与绳槽 2相切及 ， 通过作图得 出。经过多次对滚筒体整体绳槽 的设计 及加工试制 ，总结出对 ， 的设计经验公式。 绳槽 1 在第 1次爬坡时 的计算公式为 XIP 一 1 式 中P 绳槽距 ，mm； 钢丝绳每次爬坡 时的角度 ，一般设计 为 6 0 。 或 4 5 。 ； 具体爬坡角度 ， 。 。 如钢丝绳直径为 3 2 mm，绳槽距 P3 3 ，经过 2次爬坡 ，1次为 6 0 。 。当第 1次爬坡 3 0 。 时 ，可计 算出 X 2 4 ． 7 5 mm。 b第 2 次 爬坡 角度 图2绳槽 第 1 、2次爬坡 角度 F i g ． 2 1 a n d 2 c l i mb i n g 。 o f r o p e s l o t 2 0 1 2年第4 0卷第6期 郝桂英等钻井绞车滚筒体整体绳槽设计 一 3 5一 绳槽 1在第 2次爬坡时 的计算公式为 p ／0 X P ／ 2一 2 如钢丝绳直径为 3 2 mm，绳槽 距 P 3 3，经过 2次爬坡 ，1 次为 6 0 。 。当第 2次爬坡 3 0 。 时，可计 算 出 X 1 8 ． 2 5 mm。 在对第 1次爬坡后 的直段加 工时 ， ．与该爬 坡段结束时的 值相 同。第 2次爬坡后直段的加 工 ，其 值与第 2次爬坡段结束时的 值相同。 根据以上设计计算 ，可以确定绳槽 1加工时所 需要的编程参数 。 2 反转楔 的焊接及加工 钻井绞车滚筒体整体绳槽加工完成后 ，绳槽 1 位于绳槽 2的正上方 ，即钢丝绳在滚筒体上走完第 1 层后 ，往第 2层缠绕时位于第 1 层钢丝绳的正上方。 为使第 2层钢丝绳顺利反绳 ，走到第 1层钢丝绳 的 2绳中间 ，必须堆焊反楔块 ，并对其进行加工 。 2 ． 1 反转楔 1 反转楔 为堆焊而成 的结构 ，在绳槽加工 完成后焊接加工 。 2 在绳槽 1 处 于滚筒体出绳 口相反一侧 第 2次爬坡过程 中，堆焊反转楔。与绳槽 1相邻绳 槽 2的位置不变 ，绳槽 1与该绳槽 2相切 ，随着反 转楔厚度的增加 ，绳槽 1与相邻绳槽 2的距离 见图 3 逐渐减小。 与对应 角度下 2次爬坡 的 相同。 为与反转楔小径 相关的数据 ，其数值 由以 下方法确定 开始堆焊 厚度为 3 mm时 ，处于 绳槽 1中心下方 2 m m。需要说明的是 ，在确定厚 度 3 mm时 的爬坡角度时，应按 2钢丝绳直径 非 绳槽直径 相切得 出的数据 。 为堆焊结束时，与反转楔大径相关 的数据 ； 其大小由 以下方法确定 第 2次爬坡 ／ 25 。 时 ，按 3钢丝绳直径 非绳槽 直径 相切得 出 的 数值。 3 反转楔 的小径 指半径 为 X 3 滚筒 体绳槽底径／ 2 ，堆焊后打磨光滑。反转楔 的大径 指半径为 十滚筒体绳槽底径／ 2 ，加工成 R圆弧 。 4 反转楔厚度 起始厚度为 3 m m 其对应 的 2次爬坡角度 由作 图确定 ；第 2次爬坡 fl ／ 2 5 。 时的厚度为最终厚度 其数值 由作 图确定 。 堆焊后 由机 床 加 工 而成 ，具 体 为楔 形 平 面 结构 在堆焊时堆焊成同一厚度 ，加工成楔形平面 。 ， ／一 、＼ ／ 二 R 、 f ／ ／ 闽 ， 、 ，／ 、 7 I ／ 绳 槽1 ／ ／ ／ 绳槽2／ ／ X l 尸 a第2 次爬坡角度 t 堆焊3 mmN ／一、 ＼ ／ R、 1 ／ ／ ／ ， 』 R 、 一 ， 一 R 、 ／ l R 、 槽1／ 槽 2／ b g2 次爬坡角度 B／ 2 5 。 图3堆焊反 转楔后 绳槽 1 爬坡 的位 置 Fi g ． 3 Cl i mb i ng p o s i t i o n o f r o pe s l o t 1 a f t e r s urfa c i ng i n v e r s i o n we dg e 2 ． 2 反转楔堆焊后 。 的计算 X TP ／ 2一 P ／ 2 ， 3 如钢丝绳直径 3 2 I i l n l ，绳槽距 P3 3 ，经过 2 次爬坡 ，1次 为 6 0 。 。当第 2次爬 坡 3 0 。 时， X 3 3 ／ 2 _ 3 0。 - 2 _ 3 5 7 Ⅱ l m c 3 整体 绳槽 设计计算方法 的应用 技 术 条 件 整 体 绳 槽 ，左 旋 ，钢 丝 绳 直 径 3 2 m n l ，左 出绳 ，绳槽距 P3 3 m i l l ，绳槽半径 R 1 6 ． 5 h i m。2次爬坡 ，每次 6 0 。 ，2次直段 ，各为 1 2 0。 。 3 ． 1 第 1 次 爬坡 见 公式 1 第 1次爬坡起点 3 3一 3 3 ／ 2 0 。 3 3 n 邶 ； 第 1 次爬坡 1 5 。 3 33 3 ／ 21 5 。2 8 ．8 7 5 mm ， 绳槽 1与相邻绳槽 2相切，作 图得 出 X 为 1 5 ． 9 7 6 m m 见图4 。第 1 次爬坡 3 0 。 3 3一 3 3 ／ 2 3 0 。2 4 ． 7 5 mm ，绳槽 1 与相邻绳槽 2相切 ；第 1 一 3 6一 石油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 6期 次爬坡 3 5 。 13 33 3 ／ 20 。2 3 ．3 7 5 mm，绳 槽 1 与相邻绳槽 2相切；第 1 次爬坡 6 0 。 3 3 3 3 ／ 2 6 0 。1 6 ． 5 m m ，绳槽 1与相邻绳槽 2相切。 图 4 绳 稽l弟 1次 爬 坡1 5 F 4 1 c l i mbi n g 1 5。 o f r o p e s l o t 3 ． 2第 2次爬坡 见公式 2 第 2次爬坡起 点 3 3 ／ 2一 3 3 ／ 20 。 1 6 ． 5 IT I IT I ，绳槽 1 与相邻绳槽 2相切；第 2次爬坡 1 2 ． 75。 133 ／ 23 3 ／ 2 1 2． 7 5。 1 2． 99 3 8 mm ， 绳槽 1与相邻绳槽 2相切 ，作图得 出 X 2 为 3 0 ． 7 1 1 mm 见图 5 ；第 2次爬坡 3 o 。 3 3 ／ 2一 3 0 。8 ． 2 5 n 3 1T l ，绳槽 1与相邻绳槽 2相切 ；第 2次爬坡 ／ 3 ／ 25 。 13 3 ／ 23 3 ／ 23 5 。 6 ． 8 7 5 mlT l ，绳槽 1与相邻 绳槽 2相切 ；第 2次爬 6 0。 1 3 3／ 23 3 ／2 6 0 。0 mm，绳槽 1与 术 日 令 B 绳 槽 2齐 目 切 图 5 绳 槽 1第 2次 爬 坡 1 2 ． 7 5 。 Fi g ． 5 2 c l i mb i n g 1 2． 7 5。 o f r o p e s l o t 3 ． 3反转楔的焊接及加工 第2 次爬坡起点 X 3 3 ／ 2 一 O O ／ 丽Z 0 。 1 6 ． 5 lT l m，绳槽 1与相邻绳槽 2相切。反转楔堆 焊厚度为 0 。 第 2次爬坡 1 2 7 5 。 X 3 3 ／ 2一 1 2 ． 7 5 。1 0 ． 4 8 9 3 fi l m，绳槽 1与相邻绳槽 2相 切 ，作图得出 为 3 0 ． 7 1 1 mm。在 数值不变和 绳槽 2槽底位置不变的情况下 ，用钢丝绳实际直径 相切作图得出反转楔堆焊厚度 63 I B m 见 图 6 。 反转楔堆焊厚度 的确定 以绳槽 2的中心为 圆心 ，以 R 1 6为半径作 圆，并将该圆下移至槽底 ； 以移动后 的 R1 6圆的 中心为 圆心 ，作 R 3 2的 圆。 以该 圆与绳槽 1的竖直 中心线的交点为圆心作 R 1 6 的圆，此 圆与滚筒体内档边缘的距离 即为 。此圆 的圆心与绳槽 2底部尺寸即为反转楔小径相关尺寸 4 6 ． 2 3 2 m m X 3 。 T一 、 ，、 毯 l f 一 r R ／ 一、 R i j ； J ／ ／ ， ／ ／ 1 0 48 9 3 图 6堆 焊反 转 楔后 绳 槽 1第 2次 爬 坡 1 2 ． 7 5 。 F i g ． 6 2 c l i mb i n g 1 2 ． 7 5 。 o f r o p e s l o t 1 a f t e r s ur f a c i ng i n v e r s i o n we d g e 第 2 坡 3 0 。 1 3 3 ／ 2一 3 0 。 2 ． 3 5 7 m m ，绳槽 1与绳槽 2相切 。 第 2次爬坡 3 5 。 X 3 3 ／ 2一 3 5 。0 I T l m，绳槽 1与绳槽 2相切 ，绳槽 1位于 绳槽 2的正上方。反转楔堆焊厚度 6 ． 8 7 5 m i I l ， 此厚度即为反转楔的最终厚度 见 图7 。 ● - 1 6 ． 8 7 5 ， { I 。Y 、 萎1_ 一 一 、 冷 I 懵 2 ／ ／ ／ ／ O 图 7 堆 焊反 转楔后 绳槽 1第 2次爬坡 3 5 。 F i g ． 7 2 “ c l i mb i n g 3 5 。 o f r o p e s l o t 1 aft e r s u rfa c i ng i nv e r s i o n we d g e 2 0 1 2年 第 4 O卷 第 6期 郝桂 英等 钻井绞车滚筒体整体绳槽设计 一 3 7一 确定反转楔最终堆焊厚度 6 绳槽 1 位于绳槽 2 的正上方 ，绳槽 1与滚筒体内档边缘的距离即为 6 。 反转楔大径相关尺寸 的确定方法 以绳槽 2的中心为 圆心 ，以 R 1 6为半径作 圆 圆 1 ，将 圆 1下移至槽底 ；以移动后 的圆 1的中心为圆心 ， 作 R 3 2的圆 圆 2 。以圆 2与绳槽 2的竖直 中心 线的交点为 圆心作 R 3 2的 圆 圆 3 ，作竖 直 线 与滚筒边缘距离 1 6 m m ，以该线与 圆 3的交点 为圆心作 R 1 6的圆 圆 4 ，圆 4与反转楔及滚筒 边缘的交点即为 五 及 。 反转 楔在第 2次爬 坡 3 5 。 后 ，反转 楔焊接 完 成 ，此时第 2层钢丝绳的中心在第 1层钢丝绳 的正 上方 ，以后在 2次升程 中，钢丝绳靠惯性 自动过渡 到第 1 层钢丝绳的 2绳 中间。 4 现场 应用 经过对钻井绞车滚筒体整体绳槽 的各段加工及 其反转楔的堆焊及加工后 ，绞车实现了顺 利绕绳 ， 排绳整齐不 乱绳。同时使绞车更加 紧凑 ，刚性 更 好 。钻井绞车滚筒体整体绳槽设计加工技术 ，最初 应用在南阳二机石 油装备 集 团有 限公 司生产 的 J C 2 8绞车上 ，现场使用结果表明 ，J C 2 8绞车收 到了预期 效果 。之后该 技 术被广 泛应用 在 J C 3 O 、 J C 5 0和 J C 7 0绞车上 ，均取得 了 良好的效果 。由于 使用数控加工技术 ，使南 阳二机石油装备 集团 有限公 司生产的绞车在整体制造技术和质量上有了 很大提高。经过近 2年的试制和现场应用 ，结果证 明该技术可 以被广泛应用于各类钻井绞车滚筒体整 体绳槽 的设计和生产加工 中。 参考文献 王江萍 ，张军财 ，吴景 录，等 ．钻机 绞车 滚筒绳槽 的制 造 现 状 及 改 进[ J ]．石 油 机 械 ，2 0 0 6 ，3 4 1 23 23 3 ． 国家能源局 ．中华人民共和国石油天然气行业标准 石油钻机绞车 [ S ]． 2 0 1 0 ． 尹永 晶 ，杨汉 立 ．石油修 井机[ M]．北 京 石油 工业出版社 ，2 0 0 38 3 9 3 ． 国家发展和改革委员会 ．中华人 民共和 国石油天然 气行业标准 石油天然气工业用钢丝绳的选用和维护 的推荐方法 [ S ]． 2 0 0 6 ． 孟少农 ．机械 加工 工艺 手册[ M]．北京 机 械 _T 业 出版社 ，1 9 9 8 5 6 ． 第一作者 简介 郝桂 英 ，_T程师 ，生 于 1 9 7 6年 ，1 9 9 9 年毕业于大庆石油 学院机 械制造 工艺与设 备 专业 ，现从事 石油机械 的研 究与 设计 工作 。地 址 4 7 3 0 0 6 河南 省 南 阳 市 。电话 0 3 7 7 6 3 5 7 7 7 2 8 。E ma i l h g y ． 2 0 0 7 1 6 3 ． C O N I 。 收稿 日期 2 0 1 l 一1 2 3 0 本文编辑刘峰 上接 第3 2页 该设备已经发往迪拜与其他配套设备进行组装。预 广应用前景 。 计 亚 的沙漠油 田，用 以移运 7 0 0 0 参考文献 m模块钻机 的井架。 一⋯ 4 结 论 1 新型井 架快移装 置具有上下 对正 、左 右 平移和转向功能 ，可实现液压驱动 、电磁 阀遥控控 制 ，操作方便 ，自动化程度高。 2 该移运装置 的整体移运状态为半挂 车形 式 ，移运小车部分为全挂车形式 ，可 以整体或分开 运输设备 ；配备 的大吨位多点支撑车桥可满足油 田 开阔地域的大型井架 、底座等设备的运输要求 。 3 该 井架 移运 装置 结构 合 理 ，技 术先 进 ， 性能优越 ，操作灵活，搬迁效率高 ，具有广阔的推 [ 1 ] 蒋崇 贤，曾毓厚 ，尤叙 生 ．特种结构 汽车设计 [ M]． 武汉 武汉工业大学出版社，1 9 9 43 3 4 ． [ 2 ] 高加索 ． MZ J 1 0煤层气钻机 的研制 [ J ]．石油机械 ， 2 0 1 0 ，3 8 1 2 6 0 6 2 ． 第一作者简 介 何芬 伦 ，女 ，工程 师 ，生 于 1 9 7 7年 ， 2 0 0 1年毕业于 四川大学机械设 计及制造 专业 ，现从 事动力 及底盘的研究设计工作。地址 4 3 4 0 2 4 湖北省荆州市。电 话 0 7 1 6 8 4 2 9 1 5 4 。Em a i l h e ft 一 1 1 2 9 1 6 3 ． c o m。 收稿 日期 2 0 1 l 一1 11 3 本文编辑丁莉 萍 ] J 1 j]J l 2 3 4 5